钢-混凝土组合梁桥论文（共7篇）
钢-混凝土组合梁桥论文 篇1
预应力混凝土梁桥是我国公路桥梁建设中广为应用桥梁结构形式,50～100 m跨径的大中桥梁多采用预应力混凝土梁。相对于发达国家,我国钢桥技术发展极不平衡,一方面是特大桥、大桥高水准应用;另一方面是中小型钢桥低水准应用且总量很小。
因技术发展不平衡,我国一般混凝土桥梁存在质量问题较多,预应力后张梁工艺存在堵孔、张拉预应力控制不准、压浆不密实等技术瓶颈。预应力混凝土连续梁桥砼箱梁腹板承受较大的主拉应力,砼材料易开裂,致使结构刚度降低,影响结构的耐久性。而且混凝土箱梁自重较大,在自重、徐变等因素作用下,跨中挠度会持续增大,严重影响结构的承载力,降低结构的安全度,为桥梁带来很大安全隐患。
工程界有识之士正在大力呼吁采用高性能高强混凝土、采用钢-混组合结构,推广钢结构,以彻底改变我国工程结构以混凝土为主的现状,与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。
1 钢混组合结构梁桥优势
钢-混凝土组合梁,通过较为简单的处理方式综合了混凝土梁和钢梁的优势。组合梁保留受压区的混凝土翼板,受拉区则只配置钢梁,二者之间通过抗剪连接件组合成整体。这样,既不会产生混凝土受拉开裂的问题,也不会因钢梁受压侧刚度较弱而发生失稳,同时还具备较高的刚度和较轻的自重。
钢-混凝土结合梁桥在中等跨度(20～90 m)桥梁中已在世界各地广泛应用。它的主要优点是:组合结构桥梁可以充分合理地发挥钢与混凝土两种材料的各自优势,可以最大程度地实现工厂化制造,减少现场操作,场地清洁较有保证,钢材部分可回收利用,有利于环保、节能,且具有整体受力的经济性与工程质量的可靠性。
与钢桥相比有:节省钢材;降低建筑高度;减少冲击,耐疲劳;减少钢梁腐蚀;减少噪音;维修养护工作量较少等。
与混凝土桥相比有:重量较轻;制造安装较为容易;施工速度快、工期短等。
2 钢混组合结构理论
组合梁最初的计算方法是基于弹性理论的换算截面法。这种方法假设钢材与混凝土均为理想弹性体,两者连接可靠,完全共同变形,通过弹性模量比将两种材料换算成一种材料进行计算。目前,换算截面法仍是对组合桥进行弹性分析和设计的基本方法。
组合梁的作用效应按弹性理论进行计算,截面抗力计算除有更为精确的非线性分析方法外应采用弹性分析方法。
按弹性理论计算钢-混凝土组合梁:①将钢材和混凝土均视为理想的弹性体,其应力应变关系成正比;②钢梁与混凝土板之间具有可靠的连接,相对滑移很小,可忽略不计;③组合梁的截面变形符合平截面假设;④不考虑受拉区混凝土参与工作。
组合梁截面应力的计算上有截面合力法与截面分力法两种方法。
钢-混凝土组合梁中,把混凝土截面用等效的钢截面代替,并将这种换算后的截面称为换算截面。这样,按换算截面的几何特征值,直接利用材料力学公式即可计算组合梁的截面应力和变形,是为截面合力法。
将截面上作用的弯矩M分解成分别作用在钢梁与桥面板截面上的弯矩Ms、Mc及其轴力Ns、Nc,即采用截面分力法。
组合梁截面应力计算—截面分力法:如图1所示,截面上分解的作用力平衡式为
其截面转角与轴向变形的条件为
由上述组合截面的作用力平衡与位移条件式,可以推导出Ms、Mc、Ns、Nc的计算式
组合结构桥梁的整体受力性能与负弯矩区的力学性能、桥面板的合理构造、钢与混凝土的连接性能、连接件的滑移影响与力学性能以及钢结构屈服稳定、混凝土收缩徐变影响与构造要求等诸多因素有关。
3 钢-混组合梁结构的应用
目前,钢混组合梁的主要形式有:组合钢板梁桥,组合钢箱梁桥,组合钢桁梁桥,钢桁腹杆组合梁桥,波形钢腹板箱梁桥等。除梁桥外,组合结构还广泛应用于斜拉桥、拱桥与悬索桥等桥型中,钢管混凝土拱桥即为很好的例子。
传统的观念认为,钢混结构较混凝结构通常造价高,本文以预应力混凝土箱梁桥(方案一)与钢-混组合箱梁桥(方案二)为例进行比较,如表1～3所示(桥宽按13.5 m,跨径120 m估算)。
由上表可见采用钢-混组合箱梁造价较预应力砼箱梁桥材料造价只增加20%。但是工期可节省50%,钢混结构在交通组织,被交线补偿费上占有优势,总费用上钢混结构增加的比例较小。
也就是说钢混组合结构在增加少量成本的情况下,可以解决桥梁建设中常见的预应力混凝土箱梁腹板开裂问题。因此,西方国家在40～100 m跨径的桥梁,甚至更大跨度范围的桥梁中,组合结构桥梁已经显示出技术和经济上的优势。
4 钢混组合梁结构发展现状及趋势
20世纪80年代以来,国际桥梁及结构工程协会(IBASE)多次召开国际学术会议,对组合结构桥梁在研究、设计、施工等方面的发展进行交流和研讨,进一步促进组合结构桥梁的发展。
在法国,组合结构桥梁最具竞争力的跨径范围为30～110 m,跨度在40～100 m范围内的公路桥梁中85%都是组合结构桥梁;而TGV高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例占45%,之后建设的高速铁路桥梁中组合结构桥梁的比例更高。
在英国,大多数20～160 m及以上跨径的公路桥,组合结构桥梁竞争力很强;德国及美国组合结构桥梁应用更广泛。
总之,组合结构桥梁由于其整体受力的经济性、发挥钢与混凝土两种材料各自优势的合理性、以及便于施工的突出优点,在欧美、日本等国的桥梁建设中占有重要地位,法国、美国的应用范围更加广泛,取得世人瞩目的成就。
在我国,一方面,在寻求跨度突破的巨大技术需求推动下,大跨度桥梁得以快速发展并屡创世纪记录;另一方面,在大量中、小跨度桥梁中,混凝土及预应力混凝土的桥梁占据绝对数量优势;组合结构桥梁的技术水平落后于国际先进水平。
形成我国组合结构桥梁的研究与实践都与其国际发展水平有明显差距的认识原因有:钢结构或组合结构的造价高、养护费用高;钢材较贵,同时,我国劳动力费用较低;而深入研究表明:同等的设计理论、方法以及当前国内施工水平,在40～100 m甚至更大的跨度范围内,组合结构完全可以在造价上与预应力混凝土竞争。
法国统计表明,当跨径为30～110 m,特别是60～80 m范围内,钢-混凝土组合桥的单位面积造价要低于混凝土桥18%,见图2。这一跨度范围内,法国近年建造的桥梁中有85%都采用组合技术。目前,欧美等国跨径在15 m以下的小跨度桥梁多采用钢筋混凝土梁桥,15～25 m跨径则用预应力混凝土梁桥,25～60 m跨径往往采用钢-混凝土组合梁桥。钢梁则一般用于大跨径桥梁。
5 结束语
环保、节能和实现可持续发展是使社会经济同能源、资源、环境实现良性循环的措施,是社会发展与自然关系的协调与保证。钢结构产业特点:钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系,被誉为21世纪的“绿色建筑”。钢结构是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构,符合发展节能建筑和经济持续健康发展的要求。
我国又是钢铁大国,适时的发展我国桥梁钢结构,改变我国混凝土桥梁占多数的现状,才能实现可持续发展。
参考文献
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钢-混凝土组合梁桥论文 篇2
1 钢-混凝土组合连续梁桥收缩徐变的效应分析
1.1 工程概况
某工程铁路跨线主桥设立在与铁路跨越的交汇直线上, 桥梁的总长度为220m。桥面大都采用的是上幅结构的, 每一个桥幅上的宽度为15.7m, 主桥上部分为 (55+90+54) m的三跨钢-混凝土组合连续梁。在主桥梁的断面上有+0。2m厚度的钢筋混凝土桥面板, 并有高度为4.7m的槽型钢筋梁, 整个桥梁的高度为4.8m, 槽形间距为3.2m~4.53m之间, 并在其中布设了一个空腹样式的横梁结构, 在支点位置处还布设了实腹式的横梁结构[1]。
混凝土桥面上使用的混凝土是C40的高纤维混凝土, 桥面的梁板厚度为0.2m, 大部分都是应用的分块预制结构, 将其按照顺序浇筑完成, 并存放5个月左右, 目的是将混凝土的徐变造成的弯曲度降低;横向也布设了4块预制板, 使用C50的高纤维膨胀无收缩混凝土, 其他位置全部使用普通的钢筋混凝土进行设计。
(1) 基本假设
在满足了精度计算前提下, 对工程结构进行简化, 进而在假设适当下, 能够对其进行有限元分析[2]。本次研究做出的假设为: (1) 在正常使用状态下, 材料具有弹性收缩状态; (2) 受拉与受压材料具有的弹性模量基本一致; (3) 将钢筋箱梁与混凝土板间将存在滑移效果, 应用节点构建出与板面的协调作用, 利用钢箱梁对应节点将其连接起来, 进而实现协同作用; (4) 对双结合段与混凝土桥面板中普通钢筋的影响忽略不考虑。
(2) 模型概述
在不对钢筋混凝土桥面滑板考虑的情况下, 可以采用节点梁单元对槽形钢梁进行模拟, 将双结合段底混凝土与钢接、钢箱梁节点连接, 这样能够共同完成变形。在有限模型中, 可以利用C40、C50等钢筋混凝土取代C50纤维型混凝土;预应力钢绞线可以使用强度较高的预应力钢绞线, 其强度标准值可设定为fpk=1760MPa, 其直径为13.4mm, 面积为125.6mm2, 弹性模量为Ep=1.87×105MPa。材料参数见下表1所示。在上部结构当中, 非纵向受力结构能够均匀分布, 其中包含了横梁、沥青混凝土桥面、剪力键等, 总计为67k N/m。
(3) 收缩徐变分析结果
在混凝土的收缩徐变作用下, 建桥5年以后, 桥梁的边跨挠度大大增加, 但中跨挠度却有所减少;桥成以后, 中跨挠度将比边跨挠度小, 因为施工方法与预应力受力情况存在差异, 成桥后的挠度收缩徐变变化趋势也将存在差异。并且从成桥时墩板面拉力上看, 张拉控制应力也将变小, 中跨跨中挠度能够随着成桥增加而增加[3];在对限元软件施工节进行划分时, 精确模拟工程细节将非常难, 为此, 在对收缩徐变预拱度设置时, 可以将中跨收缩徐变预拱度设为零, 取收缩徐变预拱度中点、边墩的墩顶位置, 应用曲线对其进行拟合;工程收缩徐变中挠度增加的次数较少, 可以不设置收缩徐变预拱度。具体见下图1所示:
1.2 不同收缩徐变预测模型分析结果对比
因为混凝土收缩徐变的影响较为复杂, 当前能够解释预测混凝土收缩徐变特性没有一个具体理论。不同国家收缩徐变预测模型没有标准规范, 预测模型建立与假设上也存在较大差异, 参数选取有各自的特点[4]。在收缩徐变作用下, 全桥挠度在成桥以后分布上存在差异, 应用不同预测模型计算, 得出的边跨度与中跨度会随时间改变而改变。
2 钢、混凝土连续梁桥收缩徐变效应参数
(1) 存梁时间在达到5个月以后, 收缩徐变将对挠度产生影响, 存梁时间越长, 影响越小, 成桥的年限越长, 挠度差异会逐渐减小, 对边跨挠度的影响也会变小。例如, 存梁的时间为2个月时, 边跨中挠度值为19.4mm与25.4mm;存梁在8个月时, 成桥边跨中挠度值为18.3mm与20.5mm, 中跨挠度为65.3mm。存梁在2个月以后, 收缩徐变效果并不明显。
(2) 预应力钢束张拉控制应力对结构影响。在实际工程预应力当中, 钢绞线的张拉控制应力能够使用抗拉强度标准值表示, 为1750MPa的0.67倍, 即1253MPa, 在实际工程中, 受各种因素的影响, 预应力钢束张拉也存在不稳定性, 本次研究将预应力钢绞线张拉应力设置为m=0.53、m=0.67、m=0.58, 在这种抗拉强度标准下, 能够对结构做出分析, 对结构收缩徐变效应影响进行考察[5]。每个柱墩墩顶桥面板预应力钢束使用了226股钢绞线, 全部直径为13.4mm, 张拉控制应力分析能够将结构收缩徐变影响反应出来。m值、张拉控制应力、预应力钢绞线用量关系表见下表2所示: (下转第190页)
3 结束语
本文主要对钢-混凝土组合连续梁桥收缩徐变进行了分析, 并探讨了混凝土收缩徐变对钢-混凝土组合连续梁桥应力与挠度规律, 在桥梁工程中, 应用钢-混凝土组合方式将提升桥梁稳定性与抗压性, 值得推广使用。
摘要：随着我国经济发展水平的不断提高, 各领域工程建设取得了显著成就, 钢-混凝土组合式结构鉴于其经济效益与社会效益较高, 在工程领域得到了大力推广与应用, 而混凝土材料的重要特征就是收缩徐变, 这种徐变特征将影响到钢-混凝土组合结构的稳定性与抗压性。为此, 加强对钢-混凝土组合连续梁桥收缩徐变的研究分析显得非常重要。
关键词：钢,混凝土组合连续梁桥收缩徐变效应
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钢-混凝土组合梁桥论文 篇3
1 国外的经典工程案例
德国在2001年建成的Altwipfergrund桥采用了Rap.con/RW施工工法悬臂浇筑施工。日本是建造波形钢腹板桥梁最多的国家, 九州高速公路的津久见川桥是第一座利用波形钢腹板作为施工架设材料, 采用Rap.con/RW悬臂浇筑施工的五跨波形钢腹板PC连续刚构桥, 2004年建成, 其跨径组合为 (49.6+2×75+47+42.6) m=289.2 m, 总宽10.7 m, 墩顶梁高5 m, 跨中梁高3.7 m。
津久见川桥的Rap.con/RW悬臂浇筑施工具体做法:
1) 先在波形钢腹板顶增设宽30 cm左右的翼缘板, 使之具有较大的纵向抗弯和侧向抗弯能力及一定的抗扭能力;2) 然后在作业车推出后, 支撑在已安装到位的第N段波形钢腹板上, 主要依靠波形钢腹板承受底板、顶板混凝土的重量;3) 当混凝土达到强度张拉后, 利用挂篮悬臂安装第N+1段波形钢腹板。最后作业车进入N+1节段, 开展下一节段的施工。采用该工艺, 作业车悬臂长度较长, 通常为2个悬臂节段最大长度+1.5 m。津久见川桥在施工中将波形钢腹板作为架设材料, 该工法的移动作业平台较传统的挂篮更简单、更轻便;顶、底板施工可以在不同节段同时进行, 因此施工作业面更平顺、宽阔。为了简化施工减少现场工作, 本桥采用了预制横梁和顶板预制PC板并全部采用了体外索, 将体外索锚固在预制横梁的齿块上, 简化了预应力索的锚固工作, 在最终节段混凝土浇筑前将波形钢板先连接, 从而减少了悬臂施工用预应力钢材。Rap.con/RW悬臂浇筑施工在日本应用已有30余座, 并在实践中得以不断完善。波形钢腹板桥Rap.con/RW施工方法在日本得到了广泛运用, 表明了该工法具有较好的可施工性。
2 国内的经典案例
我国的波形钢腹板桥建设起步较晚, 但发展迅速, 尤其在大跨度桥梁建设中成果显著, 其中不乏对新工艺的引进、尝试和创新应用。国内的SCC工法正是源于对国外Rap.con/RW施工工法的改进。头道河大桥位于四川省古蔺县叙古高速B标段, 是国内首座采用SCC工法施工的桥梁 (见图1) 。桥梁结构形式为波形钢腹板PC组合箱梁连续刚构桥, 桥墩均为薄壁空心高墩。桥梁跨径布置为 (72+130+72) m;单幅桥单箱单室断面顶板宽12 m, 底板宽7 m。采用1600单翼缘型波形钢腹板 (注:因采用SCC工法, 施工时增设下翼缘板) , 多波连续模压工艺成型, 板厚14 mm~24 mm。头道河大桥的施工方案经过研究与论证, 在波形钢腹板的下缘焊接翼缘板, 形成波形钢腹板工字钢梁, 波形钢腹板PC连续刚构桥SCC工法施工与传统的预应力混凝土连续刚构节段悬浇施工大体相同, 所不同之处在于:1) 节段划分需考虑波形钢腹板承载能力:施工时可以在波形钢腹板下连接件上底缘加焊翼缘板, 使波形钢腹板承受挂篮的重量进行悬臂施工, 在节段划分时需要注意与波形钢腹板承载能力相适应。2) 悬浇节段的划分减少, 同时波形钢腹板的安装不占用工期:由于波形钢腹板箱梁较混凝土腹板箱梁轻, 当按一定节段重量划分梁段时, 节段长度可以适当加大, 本桥单个T构悬浇节段划分为5.8 m+12×4.8 m+1.6 m (合龙段) , 与传统的悬臂浇筑施工相比, SCC工法悬浇节段比传统悬浇节段长约20%, 这样当跨长一定时可以减少节段数量, 有利于加快施工速度。头道河大桥单幅两端对称安装, 一次安装4块钢腹板。一个节段实际天数6.5 d。
d
从表1, 表2可以看出, 采用波形钢腹板桥SCC挂篮施工比常规混凝土桥挂篮施工的悬臂节段工期节省了38%。波形钢腹板桥常规挂篮施工比常规混凝土桥挂篮施工的悬臂节段工期节省了19%。这表明波形钢腹板桥在悬臂施工中能节省较多工期的施工优越性。
2.1 SCC工法的吊挂式挂篮
波形钢腹板连续梁桥的悬臂施工, 目前国内外主要有两种施工方案:国内普遍应用的一种方案是采用主桁架较高的菱形挂篮, 其利于钢腹板吊装, 但重心也相对较高, 这种方案挂篮用钢量也大, 挂篮悬臂端变形大, 前移慢, 同一节段的顶板和底板是同步浇筑完成, 存在上下重叠施工。其代表案例为山东鄄城黄河公路大桥。另一种方案是采用波形钢腹板作为挂篮主承重梁, 在波形钢腹板上安装吊挂式挂篮。目前国内头道河大桥首次成功采用此法, 如图2所示。但在国外应用较多, 其代表性的桥梁是日本的津久见川桥。
SCC挂篮根据功能要求 (见表3) , 主要分为主桁架、上横梁、下横梁、桁车行走系统 (主要包括千斤顶、型钢等) 、锚固系统、底板承重系统、菱形桁架等几部分。
2.2 传统悬臂施工法与SCC悬臂施工法比较
通过实践, 结合实际工程案例, 将传统悬臂施工法与SCC悬臂施工法进行比较, 表明SCC悬臂施工法具有如下几个突出的优点:
1) 挂篮主桁小, 仅吊挂, 整个挂篮重量将近50 t (含钢模板) , 相较传统挂篮130 t (含钢模板) , 轻了70 t以上;2) 施工作业面更为开阔, 顶底板的作业可同时进行, 工作面更安全、平顺;避免了传统挂篮顶底板作业相互干扰的难题;3) 顶底板上预留孔洞减少, 传统挂篮需要较多锚固点, 安全性较差;4) 挂篮直接在波形钢腹板翼缘板上行走, 前移简便, 行走更为安全平顺, 一方面是挂篮轻;另一方面是无需后锚, 行走时无挂篮倾覆的危险;再者是挂篮依靠简易千斤顶即可实现行走;5) 挂篮模板行走就位更为简易, 传统挂篮行走需要多次加固—拆除—加固后锚, 多次倒挂点实现模板的前移, 而此挂篮因底模板直接利用吊挂前移, 可一次性到位, 挂篮行走调整节省时间;6) 张拉作业面开阔, 便于施工;7) 节段施工周期较传统挂篮节省15%以上;8) 顶板可以当作穿束张拉操作平台, 方便施工;9) 用人工少, 传统挂篮施工中一个T构标准节段用工为30人/d~35人/d, SCC工法用工人数为20人/d, 节省40%用工量, 速度快。
3 结语
通过国内外的案例, 对于波形钢腹板桥的SCC工法及挂篮进行了介绍。适用于SCC工法的波形钢腹板桥中, 波形钢腹板上、下部均应有翼缘板或合适构造, 以满足施工中的受力要求。实践表明, 和传统的悬臂浇筑施工相比, 该工法不仅能够大大缩短桥梁建设周期, 而且能够扩大作业面, 减轻挂篮的重量, 方便施工, 是一种优秀的施工法, 同时这种工法也增强了波形钢腹板桥梁的适用性和可施工性, 为其他类似组合结构桥梁的施工提供了借鉴。
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组合型预应力混凝土梁桥荷载试验 篇4
某桥全长为246.08 m, 共分3联, 第1联为3 m×20 m的简支梁桥, 第2联为4 m×30 m的预应力混凝土连续梁桥, 第3联为3 m×20 m的简支梁桥。道路等级为城市主干道II级, 桥面总宽为38.0 m, 分左右两幅。为了判定该桥的整体质量是否达到设计荷载等级要求, 参考相关规范[1,2,3,4,5,6]对桥梁的承载能力和使用性能作了一次全面的技术评估。本文选取了部分试验工况进行数据分析。
2 静载试验
2.1 试验工况
为检测桥梁工程质量的可靠性和安全性, 判断桥梁结构的实际承载能力, 为桥梁安全运营提供科学依据, 根据试验跨选取原则, 选取其第4跨进行荷载试验。该桥结构简图见图1。
根据静力荷载试验有关规定要求, 拟定静载试验工况如下:
工况I:左幅跨中截面最大正弯矩 (中载) ;
工况II:左幅跨中截面最大正弯矩 (偏载) ;
工况III:左幅4#墩支点截面最大负弯矩。
2.2 测点布置与观测方法
1) 应变观测。应变观测采用标距为5cm的应变片作传感元件, 粘贴方法采用贴片法。本次试验选取试验跨L/4、L/2、3L/4及支点截面作为应变测试截面, 测试截面应变测点布置见图2。
2) 挠度观测。采用位移计对试验跨L/4、L/2、3L/4及支点截面进行挠度观测, 各测点具体布置如图3所示。
3) 裂缝观测。对全桥特别是支座、跨中等敏感部位在加载前后均进行仔细的裂缝观测。首先用目测搜寻有无裂缝, 如发现裂缝, 则用裂缝观测仪测量裂缝宽度, 并用钢尺测量其长度。
2.3 车辆布置
1) 工况I:经过计算确定静载试验时需用5辆460 k N加载试验车。左幅第4跨4#箱梁跨中截面弯矩影响线见图4, 车辆加载布置图见图5。
2) 工况II:经过计算确定静载试验时需用4辆460 k N加载试验车。左幅第4跨6#箱梁跨中截面弯矩影响线见图6, 车辆加载布置图见图7。
3) 工况III:经过计算确定静载试验需用6辆460 k N加载试验车。左幅4#墩支点截面最大负弯矩影响线见图8, 车辆加载布置图见图9。
2.4 静力荷载效率
确定静力荷载试验各测试项目的荷载大小和加载位置时, 采用静力荷载试验效率ηq进行控制。为保证试验效果荷载效率, ηq宜介于0.95~1.05之间。静力试验荷载的效率按下式计算:
本次静载试验各工况荷载效率系数见表1。由表1可知1.05≥ηq>0.95, 符合JTG/T J21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》的要求。
3 静载试验结果及数据分析
3.1 挠度测试结果及数据分析
静力荷载试验各工况下, 左幅第4跨控制截面挠度理论值与实测值对比见图10~12。
由图10~12可知, 控制截面挠度实测值与理论值变化规律基本吻合。
3.2 应变测试结果及数据分析
静力荷载试验各工况下, 左幅第4跨控制截面应变理论值与实测值对比见图13~15。
由图13~图15可知, 测试截面应变实测值与理论值变化规律基本吻合。
4 动载
4.1 试验目的
作为一个大系统多变量的复杂结构, 桥梁结构的结构敏感性很强, 当结构的物理特性发生变化时 (如开裂、尺寸变化、材料力学性能变化等) , 不但静力特性 (变形、应力、裂缝等) 发生变化, 而且动力特性 (频率、振型、阻尼比、传递函数等) 也将发生变化。本次动载试验是为了判定大桥的整体质量是否达到设计要求, 确保大桥建成通车后的使用安全, 并为该桥积累原始技术资料, 利用动力测试技术来获取该桥的动力特性及荷载激励下的结构响应。
4.2 试验内容
1) 跑车试验。用1辆静载试验用加载汽车, 以20、30、40、50、60 km/h车速沿桥行车方向匀速行驶通过桥梁, 测试桥梁结构的振动响应。
2) 跳车试验。用1辆静载试验用加载汽车进行跳车试验, 在跨中截面位置布置三角块 (长60 cm, 高15 cm) , 通过跳车测试桥梁结构引起的振动响应。
4.3 测试结果
由实测数据处理后得到该桥动力特性, 详见表2。
5 结论
通过该桥的静、动载试验和理论分析, 该桥整体受力性能综合评定如下:
1) 各试验工况的静力试验荷载效率在99.6%~102.8%之间, 满足JTG/TJ21-2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》中规定的静力试验荷载效率在95%~105%之间要求。
2) 各工况控制截面在静力试验荷载作用下, 挠度校验系数和应变校验系数均小于1.0, 相对残余变形均小于20%。各试验工况下跨中截面的最大实测挠度均小于规范允许值, 且在试验荷载作用下, 该桥未发现结构受力裂缝。
3) 模态测试中, 该桥1阶和2阶频率实测值均大于理论计算值, 表明该桥结构的整体刚度较大;跑车试验荷载作用时, 该桥实测冲击系数小于规范计算值, 表明该桥行车性能较好。
综上所述, 该桥整体受力性能符合要求, 在设计使用荷载 (公路-II级) 作用下, 该桥处于弹性工作状态, 结构刚度和强度满足受力性能要求, 该桥整体结构安全。
摘要：某桥为组合式预应力混凝土梁桥, 共3联, 第1联和第3联为简支板桥, 第2联为预应力混凝土连续梁桥。为了解该桥在成桥后的实际工作状况, 判断该桥的承载能力和正常使用性能, 确保该桥正常使用安全, 对连续箱梁桥段进行了动、静荷载试验。由试验数据可知, 该桥处于弹性工作状态, 结构刚度和强度满足受力性能要求。
关键词：预应力连续梁,荷载试验,试验分析,受力性能
参考文献
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钢-混凝土组合梁桥论文 篇5
关键词：钢-混凝土叠合梁桥,支座负反力,解决对策
1 工程概况
青岛市东西快速路三期工程高架桥南起山西路南与隧道接线, 北至宝山路与规划新疆路高架相接, 向东与东西快速路一期相接, 包括东西快速路高架、莘县路立交和莘县路高架三部分 (见图1) 。桥梁总面积约为6.38万m2, 桥梁总长度为3 411 m。其中东西快速路高架约为0.9万m2, 分为4联12跨;莘县路立交约为1.6万m2, 分为20联52跨;莘县路高架约为3.8万m2, 分为14联45跨;工程共计38联109跨。
莘县路立交为3层全定向互通立交, 其中SA4号、SB3号匝道桥需跨越莘县路高架主线, 同时受地面道路渠化等因素影响, 跨径分别布置为44.5 m+35 m、30 m+35 m+43.4 m。另外, 全桥位于半径80 m的曲线段, 若采用预应力混凝土结构, 梁高较大且受力性能较差, 宜出现各种病害, 经过专家评审两桥采用钢-混凝土叠合梁结构。本文针对SA4号桥进行论述。
如图2所示, 桥梁全宽9.5 m, 单向2车道, 横断面布置为0.5 m (防撞体) +0.5 m (路缘带) +2×3.75 m (大车道) +0.5 m (路缘带) +0.5 m (防撞体) ;桥梁总高度为2.35 m, 自上而下分别为0.07 m (沥青混合料铺装) +0.25 m (C40现浇混凝土板) +2.03 m (钢箱梁) 。
2 理论计算
结构计算采用MIDAS CIVIL 2010, 结构简化体系采用空间单梁模型 (见图3) 。计算荷载采用城市-A级;离心力按照40 km/h的汽车速度所产生的离心力计;温度荷载按照升温34 K、降温10 K考虑非均匀升 (降) 温的影响;风荷载采用青岛地区33.9 m/s风速计算。
空间单梁计算模型划分为86个单元, 95个节点, 边支点设置为横向双支承, 支点间距为4 m, 中支点设置为单点支承, 支反力计算结构汇总见表1。
分析以上结果可以看出, 钢-混凝土叠合梁桥自重较小, 当曲线半径较小时, 在车荷载、风荷载、离心力等共同作用下, 曲线内侧支座反力为负值, 即在一定荷载组合工况下, 支座出现脱空现象, 必须引起高度重视, 本工程采取各种措施解决该问题。
3 解决措施
钢-混凝土叠合梁桥一般自重较小、跨径较大, 支座出现负反力的问题更加明显。解决这一问题的办法有增加抗扭支座设计、设置预偏心、调整跨径布置、设置梁端压重及拉压支座设计等。
由于本工程桥下渠化条件限制, 不具备调整跨径的条件;而设置预偏心仅能调整恒载的分布情况, 对自重较轻的桥梁来说效果不明显, 因此这2种措施不适于本工程。
3.1 增加支座抗扭设计
常用的抗扭支座设计分为梁柱固结和设置横向双支座2种, 本工程桥梁下部桥墩采用变截面花瓶柱的设计, 柱顶的扩头为桥梁设置横向双支座创造条件。优化设计时首选将中支点单点支承调整为横向双支承。调整后支反力汇总结果见表2。
从表2可以看出, 中支点设置横向双支座后, 梁体的扭转长度减小, 边支点内侧支座负反力的问题得到改善, 其中, 边支点2对应桥梁跨度较小, 扭转长度及扭矩也相应较小, 支座负反力现象已经解决, 但支反力安全储备较小;边支点1对应桥梁跨度较大, 扭转长度及扭矩也相应较大, 内侧支座在最不利荷载工况下仍出现负反力, 但绝对值已大幅减小60%;中支点由于自重反力较大, 不存在支座负反力的情况。
3.2 设置梁端压重
梁端压重是解决支座负反力的另一种有效措施。本工程在靠近边支点1附近设置5 m的压重区域以平衡负反力, 在靠近边支点2附近设置1 m的压重区域以增加该区域的反力储备。压重区采用C40微膨胀混凝土灌注, 膨胀率0.06%, 容重≥25 k N/m2, 混凝土分不同的区格分层对称浇筑, 以减小施工期间对腹板、横隔板的侧向压力。另外, 在腹板、底板及横隔板与混凝土结合面处均焊接剪力键, 以增强与混凝土之间的有效连接 (见图4、图5) 。
通过增设压重区措施后支反力汇总结果见表3。
从表3可以看出, 通过设置梁端压重, 有效解决边支点1内侧支座的负反力问题, 同时, 边支点2处内侧支座的支反力储备得到有效提升。由于压重设置范围位于边支点附近, 有效提升边支点的局部承压能力。
3.3 拉压支座设计
为保证本工程具有一定的安全可靠度, 根据桥梁构造尺寸, 在边支点内侧支座处采用特殊的拉压支座设计 (见图6) 。支座主要性能参数如下:
1) 支座竖向抗压承载力≥3 000 k N, 竖向抗拉承载力≥600 k N;
2) 支座均采用双向活动支座, 纵向最大位移量≥40 mm;
3) 支座绕横桥向轴最大转角位移量≥0.015 rad;
4) 支座横桥向尺寸控制在60 cm以内, 保证螺栓能避让开箱梁边腹板。
4 结语
通过设置抗扭支座、设置梁端压重等措施, 有效解决边支点内侧支座的负反力问题, 各种工况下的支座反力如表4所示。另外, 通过设置拉压支座, 增加了安全储备。
青岛市东西快速路三期工程于2010年建成通车, 至今已运营3 a, 通过对SA4号桥工程实例的理论分析, 结合该桥实际运营效果检验, 桥梁结构整体使用效果良好, 未出现支座脱空等病害问题, 实际效果与理论计算基本吻合, 总结小半径钢-混凝土叠合梁桥支座负反力解决对策如下。
1) 钢-混凝土叠合梁桥受力性能好、自重轻、材料利用率高, 用于城市高架、立交等条件受限的大跨径、小半径桥梁, 得到较好的使用效果[1]。但由于自重较轻, 易出现半径内侧支座负反力的问题, 应引起设计人员的高度重视。
2) 设置抗扭支座是解决支座负反力问题最行之有效的措施。本桥在中支点设置抗扭支座后, 边支点1内侧支座负反力绝对值减小529 k N, 虽未完全解决负反力问题, 但负反力降幅达到60%;边支点2内侧支座负反力问题得到解决。
3) 设置梁端压重是解决支座负反力问题较为有效的措施。该桥在2个边支点附近灌注混凝土后, 边支点负反力问题得到彻底解决。
4) 设置拉压支座是解决支座负反力问题的常用措施。本工程在边支点内侧支座设置拉压支座, 作为安全储备考虑。
5) 对施工组织及顺序提出明确要求, 避免施工期间的倾覆危险。桥面混凝土顶板、防撞体等均采用先施工半径内侧, 后施工半径外侧的顺序, 施工机械尽量靠近半径内侧布置及行驶。
参考文献
钢-混凝土组合梁桥论文 篇6
组合梁桥是指用剪力键将钢板梁、钢箱梁等构件和钢筋混凝土桥面构件结合在一起形成组合截面的一种复合式结构。组合梁桥采用最多的是简支梁桥, 因为简支梁上部受压、下部受拉, 与组合梁的材料分布相适应[1]。由于连续梁较简支梁具有结构静动力刚度大、行车舒适性高的优点, 随着技术的发展, 组合梁的使用也逐渐拓展到连续梁桥。由于连续梁桥不可避免的存在相当大的负弯矩, 控制混凝土桥面板的开裂是设计的重点之一[2,3,4]。国内学者邵长宇[5]、王燕[6]等人采用了施加预应力、支点升降等抗裂措施, 取得了良好的抗裂效果。
本文以温州市下斜河大桥为工程背景, 进一步定量分析了影响桥面板开裂的各种因素, 在此基础上评估各种抗裂措施的实施效果。
1 工程背景
温州市六虹桥路延伸段是温州市西部重要的一条城市主干道。由于西部瓯海新城的快速开发, 并逐渐投入使用, 六虹桥路延伸段的建设也变得日趋紧迫。为满足建设单位一年完成设计施工的任务要求, 作为工程的重要控制性节点的下斜河大桥, 在设计过程中经多方比选, 采用了三跨变截面钢—混组合梁的方案, 在施工速度和工程造价等方面取得了平衡。
2 桥梁总体结构设计
桥梁所跨越的下斜河为温州市准七级航道, 规划道路红线和河道交界仅为26°, 为减少主跨跨径, 桥梁横向采用左右幅分离式错孔布置。左幅桥为2×30 m简支小箱梁+ (44.4+69.8+44.4) m钢混组合梁+2×30 m简支小箱梁, 右幅桥为1×30 m简支小箱梁+ (45.725+72.256+45.725) m钢混组合梁+3×30 m简支小箱梁。钢混组合梁单幅宽度为12.5 m, 人行道宽2.5 m, 车行道宽9.5 m, 防撞护栏宽0.5 m。设计荷载为城—B汽车荷载、3.45 k N/m2人群荷载。
主桥组合梁采用双箱单室结构, 钢梁断面采用槽形断面, 混凝土桥面板厚度为35 cm。中支点处梁高3.5 m, 中跨跨中和边支点处梁高2.395 m, 梁高延梁长按二次抛物线布置。中支点处钢梁底板厚30 mm, 钢梁顶板厚30 mm, 腹板厚25 mm。边支点和中跨跨中处钢梁底板厚25 mm, 钢梁顶板厚30 mm, 腹板厚20 mm (见图1~图3) 。
3 混凝土拉应力产生的因素分析
1) 钢—混组合连续梁由于其结构的特性, 中支点处在自重和活荷载的作用下截面上部自然地出现拉应力, 这是结构规律使然。
2) 由于混凝土材料存在收缩徐变的特性, 而钢材并无上述特性, 当混凝土发生收缩徐变的时候, 钢材对混凝土产生约束, 类似于温度梯度的作用, 组合截面也会产生相应的自应力和次应力。这部分作用产生的拉应力占有相当大的比例。
3) 温度梯度和不均匀沉降等可变作用的影响。
各个工况对中支点桥面混凝土产生的拉应力如表1所示。
由表1可知, 由于施工工序的影响, 中支点混凝土桥面板并不承受结构 (钢梁和混凝土桥面板) 自重, 仅承受二期恒载、活荷载等后期作用, 一定程度也已大大减少混凝土桥面板的受力。在各种后期作用中, 影响最大的是收缩徐变, 占到了所有影响因素之和的41%。而其他各种因素产生的拉应力, 是由桥梁总体结构布置决定的, 在设计中已经难以减少。
4 桥梁负弯矩段桥面板抗裂措施
1) 控制混凝土开裂最有效和常规的方法即是施加预应力。本工程采用了三种方法给混凝土桥面板 (特别是中支点桥面板) 施加预应力, 分别是:a.张拉体内预应力钢束;b.中支点临时顶升;c.跨中位置临时堆载。其中2点~3点的做法其原理类似, 即是利用钢材料的弹性变形的能力, 在中支点混凝土尚未浇筑时, 先施加一个能使中支点产生负弯矩的临时荷载;在中支点混凝土浇筑并达到强度后, 再卸载该临时荷载, 此时即相当于给此处施加正弯矩, 从而给混凝土桥面板提供了预压力;d.通过调整桥面板浇筑顺序, 使负弯矩段的桥面板混凝土后期浇筑, 避免负弯矩段桥面混凝土过早的承受结构重力产生负弯矩。本工程综合使用了上述四种抗裂措施。
本工程施工顺序如下:
阶段一:钢梁架设完毕后, 浇筑边跨和中跨跨中位置处的混凝土桥面板和中支点底板处混凝土, 混凝土达到强度后, 在桥面板上施加100 k N/m的临时堆载, 并将中支点临时顶升35 cm。
阶段二:浇筑中支点顶部混凝土桥面板。
阶段三:中支点顶板混凝土达到强度后, 卸除临时堆载并回降中支点顶升高度。
具体施工顺序如图4所示。
以右幅桥为例, 上述几种方法对中支点桥面混凝土提供预压应力如表2所示。
由表1和表2可知, 本工程采用上述方法产生的预压力已足以克服混凝土桥面的拉应力, 并有一定的压应力储备。
2) 我们注意到混凝土桥面板产生拉应力的各种因素中, 占比最大的是收缩徐变, 而影响收缩徐变最主要的变量即是时间, 通常的方法是采用达到一定龄期的预制桥面板代替现浇桥面板。以本工程为例计算, 图5表示了收缩徐变产生的拉应力随混凝土龄期的变化趋势。从图中可以看到随着混凝土龄期的增长其拉应力随之降低, 但在150 d龄期之后其变化速率较小, 意味着在此之后, 预制桥面板堆仓时间的消耗并不能取得太明显的工程效果。综合本图显示的变化趋势和工程实际, 150 d的混凝土龄期是既能取得较好的工程效果, 同时预制板的堆仓时间也较为容易接受。这和其他工程实践也是相符的。但在本工程中由于工期限制, 并未采用该方法实施。
5 各种抗裂措施得失分析
1) 通过上面的分析可以知道, 预应力钢束提供了最大的预压力, 临时顶升和堆载分别次之。分析其原因, 主要是因为临时顶升和堆载这两种措施由于受到顶升设备以及钢材拉应力指标的限制, 设计中受到一定的限制, 而预应力钢束的布置在设计中便于实现。但是临时顶升和堆载这两种措施总共也提供了5.36 MPa的压应力, 相当于预应力效应钢束的66%, 其产生的效果也是相当的明显。从节约预应力材料的角度看, 相当于节省了0.66倍设计预应力钢束的材料, 其作用也是相当可观的。在一般情况下, 应优先采用这两种措施, 充分利用钢材性能提供低成本的预应力。2) 本工程设计采用无支架施工, 并通过调整混凝土浇筑的顺序, 使得中支点处混凝土不承受结构自重, 该方法也相当程度上减少了混凝土的拉应力。但是, 混凝土受力的减少意味着钢结构部分受力的增加, 结构两种材料的受力分配需要针对具体工程具体分析, 才能得出最佳的结论。根据上述工程的分析, 对于混凝土拉应力较大, 同时桥梁施工中也不便于支架施工的, 可以考虑该方法。3) 由于混凝土收缩徐变是造成混凝土拉应力的主要因素, 从上文的分析可以知道, 采用预制桥面板能有效的减少混凝土拉应力。因此, 条件允许时, 应优先采用预制桥面板, 以减少混凝土的拉应力。
参考文献
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[5]邵长宇.大跨连续组合箱梁桥的概念设计[J].桥梁建设, 2008 (1) :9-10.
钢—混凝土组合结构的研究 篇7
1 钢—混凝土组合结构受扭分析
试验持续过程可以分为四个阶段:1) 线弹性发展阶段。在这个阶段中可以发现, 组合梁平衡扭矩的方式是通过翼缘正截面上存在的剪应力来达到, 此时作用在钢梁自身的扭矩相对很小。2) 当钢梁截面的主拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时, 混凝土表面开始出现裂纹, 组合梁受到的扭矩突然增大, 在应力—应变曲线上形成明显的台阶状。3) 随着外界作用在组合梁上的荷载不断增大, 混凝土表面的裂缝不断发展变宽变长, 此时组合梁的抗扭强度不断下降, 因扭动产生的变形加快, 当荷载达到一定值时组合梁内部箍筋开始屈服。4) 在荷载不断增大的过程中, 混凝土翼缘板上开始出现分布均匀的斜裂缝并逐渐贯通截面上下, 进入不稳定的发展阶段, 部分混凝土因受压扭开始破坏, 脱离主体, 内部钢筋也开始屈服, 此时组合梁完成受扭破坏。受扭承载力影响因素分析:组合梁承受的弯矩主要由混凝土翼板承担, 综合考虑分析得极限承载力的主要影响因素是翼板的截面面积, 如果提高翼板构件的厚度可以发现组合梁的受扭承载力会显著提高, 相对提高翼板厚度来说增加配箍率对承载力的提升影响很小。实验中, 当各方面作用相同时, 组合梁的抗扭承载力是在配箍率为0.5%左右时达到最大, 其他配箍率情况对承载力影响也不是很大。
2 钢—混凝土抗火性能分析
为分析钢—混凝土的抗火性能, 特将荷载分为五个等级, 按分级加载至最大荷载。在实验中发现, 点火升温一段时间后, 钢—混凝土试件背火面有水层冒出。30 min后随着温度的持续升高水分开始蒸发, 水蒸气从混凝土表面和钢板的结合处的缝隙中流出, 随着时间的增加水蒸气量渐渐增大, 出现水雾现象。大约40 min后出现在混凝土表面的水层开始减少并逐渐消失。1 h左右, 由于混凝土内部存在的水分在高温下蒸发, 但有部分水蒸气在混凝土的堵塞下不能从裂隙中冒出, 此时在混凝土的封闭空隙中积聚产生了蒸汽高压, 高压的存在使混凝土开始爆裂, 伴随着的是轻微的混凝土爆裂声, 部分混凝土碎片随着爆裂离开试件主体。观察组合试件的顶部并未发现特别明显的裂缝产生, 对比此时试件与常温下没有明显的不同。实验再持续10 min混凝土顶面开始出现了一条贯穿试件的主裂缝, 这条裂缝使试件的承载力显著下降, 继续观察其他部位, 这些部位只是出现细小裂缝, 没有出现严重的破坏。最为明显的变化是在跨中出现防火保护层脱落的现象。根据此现象推知跨中的变形最大, 位移变形达到试件跨度的1/20, 对钢—混凝土抗火性能的影响最为严重, 因为破坏试件无法继续承载, 此时组合试件的两端出现钢板因受热不断膨胀而与混凝土脱开发生破坏。
实验结果分析:对于组合梁来说, 混凝土表面一旦出现了贯通上下的主裂缝就标志着梁已经破坏。主裂缝的出现伴随着表层混凝土的脱落, 混凝土内部的型钢暴露出来, 开始接触外部的高温作用, 型钢在高温作用下出现软化, 部分型钢在高温作用下出现了较明显的变形屈服。实验结果分析显示, 在跨中跨度达到试件跨度的1/20时试件的变形速度加快, 作者认为在高温条件下, 跨中挠度变形超过1/20即可认为组合梁已经丧失耐火能力。
3 钢—混凝土组合结构节点抗震性能分析
为研究组合梁与柱连接处的抗震能力, 特进行实验加载分析。先在柱的两端施加竖向荷载, 模拟地震发生时的竖向荷载, 与此同时在组合梁的两端加入大小不断变化的荷载。荷载持续加入一段时间, 观察梁和柱的变化发现, 在反向荷载加入到20 k N左右的时候, 在组合梁与柱连接的表面处开始出现不明显的细小裂缝, 荷载继续施加, 随着时间的延长裂缝不断发展, 同时裂缝的宽度和长度均有明显增大, 发展良好。继续增加荷载, 因为连接处受力复杂, 在外力的不断作用下, 连接处变成了塑性铰出现变形。在塑性铰形成的同时, 混凝土表面出现了上下贯通的裂缝, 内部钢筋暴露出来, 在重复荷载的作用下钢筋开始屈服, 屈服后钢筋继续承受荷载作用, 因为钢筋强化作用的存在, 组合梁可以继续工作, 一旦钢筋达到抗拉强度便开始破坏, 这也标志着组合梁的彻底破坏。再观察节点处, 节点的核心区域并未出现斜裂缝, 作者认为柱的刚度比梁的刚度大得多, 钢梁的腹板在没有达到屈服时柱的剪切变形也很小。继续加大荷载, 在柱的表面出现了不断发展的竖向裂缝, 柱子也开始发生破坏。当梁与柱的连接处开始出现轻微的裂缝时节点即可认为是破坏。此实验按照“强柱弱梁节点更强”的原则进行。
实验结果分析:组合梁与柱的连接处和混凝土梁柱节点略有不同, 因为组合梁与柱的连接处存在型钢, 在荷载的作用下承载力和刚度比混凝土都要大, 混凝土发生破坏时, 型钢可以替代混凝土继续承载工作, 充分说明了组合梁与柱的节点的延性也更强, 可以避免节点在复杂荷载作用下发生脆性破坏。
4 结语
钢筋混凝土组合梁与普通混凝土对比有很大优势, 实验过程也表明混凝土组合梁拥有较轻的自重, 刚度也更大, 承载力提升明显, 在抗震方面的抗性也更强。可以广泛的应用在工业厂房、高层建筑等大型结构中, 随着我国建筑行业的快速发展, 钢筋混凝土组合梁也得到了设计、施工单位的认可, 其广泛推广和应用也必将带来更好的综合效益。
参考文献
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